浅谈空气悬架动力学特性与控制

李大鹏

摘 要：汽车的悬架系统直接决定了人们的驾驶享受，调教水平较高的悬架系统可以为驾驶员提供一种平顺、舒适、稳定的驾驶感受。而当前汽车悬挂系统表现最好的当属空气悬挂系统，所以，本文分析了空气悬架系统，并对其动力学特性与控制进行了讨论。

关键词：空气悬架；气体弹簧；动力学特性与控制

引言

现代人们对于驾驶感受最广泛的要求便是驾驶的舒适感以及平顺性。由于汽车在行驶过程中，底盘会受车速、路况等因素的影响将振动传递到车内，这就要求汽车在底盘设计时对悬架系统进行特殊调校，以减少车体振动对人体造成的不适与危害。因此，加快空气悬架的研发进程是底盘设计当前的主要目标。

1关于底盘悬架系统的概述

现阶段，汽车底盘的悬架系统通常分为被动悬架、半主动悬架以及主动悬架，其划分标准主要在于其空气悬架的阻尼性能。首先，被动悬架在汽车行驶过程中，由于悬挂系统的刚度及阻尼都不可调，底盘只能被动接受路况以及行驶速度对车身造成的振动；其次，半主动悬架应用范围最为广泛，该悬架方式不改变悬架原有刚度，只调节悬架阻尼，从而达到对悬架减震的效果。半主动悬架不需要额外安装动力源装置，仅需要部分可控阻尼元件配合工作，另外半主动悬架虽然不能接受控制信号，但能够自动调节出最优弹簧特性和阻尼特性，使其性能与主动悬架差距不大，因此才会被广泛应用；最后，主动悬架系统是结合汽车行驶状态以及路面情况，自动对悬架的刚度和阻尼进行适时调节，并将底盘维持在最佳减振状态，从而保障汽车行驶的平顺舒适性。但在实际生产使用中，主动悬架设计技术复杂，处理程序需要较高的配置，并且维护难度高、成本昂贵，所以得不到广泛应用。

2空气悬架的结构及工作原理

2.1空气悬架的基本结构

目前空气悬架的主要结构包括空气弹簧、导向机构、减震器、控制臂、推力杆、缓冲限位块等，大致结构分布见图1。其中空气弹簧作为空气悬架中最重要的组成部分，对底盘性能起到决定性的作用。空气悬架通常由多个贯通气路以及相互作用的气囊组成。常见的形式是底盘前悬架安装两个，后悬架安装四个，前悬架的左、右两个空气弹簧受同一高度阀控制；后悬架的四个空气弹簧中，左、右两侧两个各由一个高度阀控制。所以当汽车快速行驶时，前悬架左右两个空气弹簧一直在相互作用，尤其当汽车转弯时，囊内气体通过管路左右通，以达到压力平衡状态，从而保证车辆安全行驶。

2.2空气悬架的工作原理

空气弹簧是空气悬架系统中的关键性能元件，对底盘调校发挥着重要作用。其工作原理大致可概括为：空气弹簧初始作用高度一定，首先，当车辆静载与空气弹簧气囊内气体压力相平时，悬架系统处于力平衡状态，汽车相对稳定；其次，当汽车载荷增加时，空气弹簧中承重气囊受压迫，导致悬架系统高度降低，高度阀随车体下降迫使摆杆转动，从而出发悬架内部进气机构，储气罐中的压缩空气通过连接管路补给到空气弹簧，当高度阀摆杆回復到水平位置时，进气机构闭合停止进气，车体随着空气弹簧的充气过程恢复到初始工作高度；最后，当车辆载荷减少时，高度阀有相对移动，进而产生与进气相反的排气过程。在空气弹簧系统整个气体调解过程中，高度阀保证了车辆的底盘悬架在任意载荷情况下，始终与路面之间的高度维持在既定值，因此，只有在高度阀的配合作用下，才能完全发挥高度阀的最佳效果。

2.3空气弹簧对整车底盘性能的影响

由上述分析可知，汽车空气悬架的刚度、阻尼都可以根据运动状况作自动调整，因此，为保证良好的行驶平顺性、乘坐舒适性和操纵稳定性，必须选择适当的充气压力、附加气室容积以及节流孔开度。驾驶者还能够根据自己的驾驶习惯，随意设置合适的悬架高度，从而达到安全越过障碍物、提速平顺、驾驶舒适的预期，明显提高了驾驶员的驾驶乐趣。空气悬架利用空气弹簧作为主要缓冲介质，取代了板簧或螺旋弹簧等传统减震配置，这样既降低了车身重量，大幅缩短紧急制动距离，还能够借助气体弹簧对空气流动的调节进而调整汽车不同状态下适当的空气悬架高度。当汽车在路况较好的平坦路面行驶时，可以自动降低车身重心，以此来提高车速；当汽车行驶在崎岖路面时，可以升高车身高度，提高重心以加强汽车的通过能力；另外，与传统金属悬架汽车相比，空气悬架汽车车轮动载荷更小，大大减小了车轮对路面的冲击，提高了汽车的路面友好性，从而在一定程度上降低油耗。

3空气悬架的动力学特性与控制

第一，空气悬架的阻尼可调。空气悬架一般配有附加气室、节流孔以及连接管路，因此该悬架系统具有“节流效应”，当弹簧载荷加重时，主气室作为承重气室被压缩，主副气室间产生压力差，此时附加气室气体会经节流孔流入主气室，进而保持悬架系统内部压力平衡，另外，节流孔对路面的振动冲击有缓冲作用，具有一定阻尼效果，改变节流孔开度或者管路直径，空气悬架的阻尼也会随之改变；第二，空气悬架刚度可调。空气弹簧的承载介质是空气，因此可以通过调节空气弹簧充气压力来获得所需要的刚度，以适应外部载荷的变化。另外，增加附加气室可以增大空气弹簧内气体流通空间，通过改变附加气室容积也可以调节空气弹簧刚度；第三，空气悬架隔离噪声及减震效果好。空气悬架刚度可调，减震性能好，还可以降低零件磨损，空气悬架车辆行驶过程中操纵平稳，振动噪声小，路面友好性能优越。

结束语

综上所述，人们对现代汽车的综合性能有了更高的要求，其中最主要的就是汽车底盘的性能调校。空气悬架对于过滤胎噪以及路面对车身造成的振动有着明显作用，所以，相关部门要不断对空气悬架技术进行研发应用，以保证人们的驾驶感受，使汽车更好地为人们提供服务。

参考文献：

[1]陈平亮.空气悬架动力学特性与控制[D].沈阳工业大学，2017.

[2]张晓磊.空气悬架动力学特性及其半主动控制策略研究[D].石家庄铁道大学，2015.

[3]华艳秋，郭晓晓，张亮修，吴光强.汽车空气悬架非线性混沌分析[J].公路交通科技，2017，3404：123-129.endprint